WO2016104396A1 - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

　超音波センサの圧電素子は、送信用領域（４０Ｎ）および受信用領域（４０Ｍ）を含む圧電体層（４０）と、共通電極（３０）と、送信用電極（２０）と、受信用電極（１０）とを有する。送信用領域および受信用領域は、分離領域（４０Ｖ）を介して互いに隣り合う。送信用領域は、１つまたは複数の第１単位圧電体層を含み、受信用領域は、１つまたは複数の第２単位圧電体層を含む。送信用領域に含まれる第１単位圧電体層と、受信用領域に含まれる第２単位圧電体層とは、層数が異なり、送信用領域および受信用領域のうちの層数が少ない方の中には、浮き電極（７０）が設けられている。この圧電素子は、褶曲が発生することを抑制できる。

Description

超音波センサ

　本発明は、圧電素子を備えた超音波センサに関する。

　一般的な超音波センサは、金属製のケースの底部の内面に圧電素子を接合することによりユニモルフ構造体を構成し、金属ケースの底部をベンディング振動させて超音波を送受信する。なお、超音波センサとは技術分野が異なるが、国際公開第２００８／０３８６８３号（特許文献１）には、積層型の圧電素子を備えた燃料噴射システムが開示されている。

国際公開第２００８／０３８６８３号

　一般的な積層型の圧電素子を備えた超音波センサにおいては、圧電素子の積層数が多ければ多いほど、送波の際の音圧が上がるが、受波の際の感度が下がる。その反対に、圧電素子の積層数が少なければ少ないほど、送波の際の音圧が下がるが、受波の際の感度が上がる。一般的な積層型の圧電素子を備えた超音波センサにおいては、圧電素子の送波に供される部分と受波に供される部分とが同一の部材でもって形成されているため、圧電素子の積層数に応じて、音圧と感度とが略反比例の関係で増減することになる。

　本願発明者らは、鋭意検討した結果、次のような知見を得るに至った。すなわち、圧電素子に、受信用電極および送信用電極を接続し、さらに、これらの双方に対向するように共通電極を配置したとする。受信用電極、送信用電極および共通電極からなる３端子構造によれば、金属ケースの底部の面方向において互いに隣り合う送信用領域および受信用領域が形成される。送信用領域および受信用領域は、互いに独立して形成されるため、送信時における音圧および受信時における感度の双方をそれぞれ独立して調整することが可能となることを見出した。

　しかしながら、このような３端子構造を採用した場合には、すなわち、金属ケースの底部の面方向において互いに隣り合う送信用領域および受信用領域を圧電素子に形成した場合には、圧電素子を作製する際に褶曲（圧電体層が部分的に曲がりくねる現象）が発生しやすくなるというさらなる課題があることも見出した。

　本発明は、金属ケースの底部の面方向において互いに隣り合う送信用領域および受信用領域を形成する場合であっても、褶曲が圧電素子に発生することを抑制可能な構成を備えた超音波センサを提供することを目的とする。

　本発明のある局面に基づく超音波センサは、底部を有するケースと、上記底部の内面に接合され、上記底部とともにベンディング振動する圧電素子とを備え、上記圧電素子は、送信用領域、受信用領域、および分離領域を含む圧電体層と、上記送信用領域および上記受信用領域の双方に及んで広がる形状を有する共通電極と、上記送信用領域を間に挟んで上記共通電極に対向する送信用電極と、上記受信用領域を間に挟んで上記共通電極に対向する受信用電極と、を有し、上記送信用領域および上記受信用領域は、上記底部の上記内面の表面方向において、上記分離領域を介して互いに隣り合う位置に形成されており、上記送信用領域は、１つの第１単位圧電体層、または、上記底部から遠ざかる方向に積層され且つ電気的に並列接続された複数の第１単位圧電体層を含み、上記受信用領域は、１つの第２単位圧電体層、または、上記底部から遠ざかる方向に積層され且つ電気的に並列接続された複数の第２単位圧電体層を含み、上記送信用領域に含まれる上記第１単位圧電体層と、上記受信用領域に含まれる上記第２単位圧電体層とは、層数が異なっており、上記送信用領域および上記受信用領域のうち、上記層数が少ない方の中には、１つまたは複数の浮き電極が設けられている。

　好ましくは、上記層数は、上記送信用領域に含まれる上記第１単位圧電体層の方が、上記受信用領域に含まれる上記第２単位圧電体層よりも多く、上記浮き電極は、上記受信用領域の中に設けられている。

　好ましくは、上記浮き電極は、上記分離領域の中にも設けられている。好ましくは、上記浮き電極は、上記分離領域の中に及ぶように設けられている。

　好ましくは、複数の上記浮き電極は、上記圧電素子の積層方向における中心を通る面に対して、面対称となる位置に設けられている。

　好ましくは、複数の上記浮き電極は、上記圧電素子の積層方向に間隔を空けて並んでおり、上記圧電素子の積層方向において上記底部から最も遠くに位置する上記浮き電極の両端部は、他の上記浮き電極の両端部の位置よりも内側に位置している。

　好ましくは、上記浮き電極は、上記圧電素子の積層方向における中心と上記底部との間に位置する対向部を含み、上記対向部は、上記圧電素子の積層方向において、上記送信用電極および上記共通電極のうちの少なくとも一方に対向している。

　好ましくは、上記底部の上記内面の表面方向において、上記分離領域を介して互いに隣り合う上記送信用電極の内部電極と上記浮き電極との間の間隔は、上記分離領域を介して互いに隣り合う上記共通電極の内部電極と上記浮き電極との間の間隔よりも広い。

　本発明の他の局面に基づく超音波センサは、底部を有するケースと、上記底部の内面に接合され、上記底部とともにベンディング振動する圧電素子とを備え、上記圧電素子は、送信用領域、受信用領域、および分離領域を含む圧電体層と、上記送信用領域および上記受信用領域の双方に及んで広がる形状を有する共通電極と、上記送信用領域を間に挟んで上記共通電極に対向する送信用電極と、上記受信用領域を間に挟んで上記共通電極に対向する受信用電極と、を有し、上記送信用領域および上記受信用領域は、上記底部の上記内面の表面方向において、上記分離領域を介して互いに隣り合う位置に形成されており、上記送信用領域は、１つの第１単位圧電体層、または、上記底部から遠ざかる方向に積層され且つ電気的に並列接続された複数の第１単位圧電体層を含み、上記受信用領域は、１つの第２単位圧電体層、または、上記底部から遠ざかる方向に積層され且つ電気的に並列接続された複数の第２単位圧電体層を含み、上記送信用領域に含まれる上記第１単位圧電体層と、上記受信用領域に含まれる上記第２単位圧電体層とは、層数が異なっており、上記分離領域の中には、１つまたは複数の浮き電極が設けられている。

　好ましくは、上記圧電素子は、複数の上記浮き電極を有しており、複数のうちの少なくとも１つの上記浮き電極は、上記送信用電極よりも厚い厚さを有している。

　上記のような構成を備えた圧電素子を作製する場合には、単位圧電体層の層数（体積）が多い方から少ない方に向かって圧電体が移動しようとするが、このような移動は、浮き電極の存在によって抑制される。したがって、金属ケースの底部の面方向において互いに隣り合う送信用領域および受信用領域を形成する場合であっても、褶曲が圧電素子に発生することを抑制可能となる。

参考技術における超音波センサを備えたセンサ装置の機能ブロックを示す図である。 参考技術における超音波センサを示す断面図である。 参考技術における超音波センサに備えられる圧電素子およびＦＰＣを示す平面図である。 参考技術における超音波センサに備えられる圧電素子（ＦＰＣを取り外した状態）を示す平面図である。 参考技術における超音波センサに備えられる圧電素子を示す斜視図である。 参考技術における超音波センサに備えられる圧電素子およびその内部構造を示す斜視図である。 参考技術における超音波センサの圧電素子に備えられる電極を示す斜視図である。 図４中のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。 図４中のＩＸ－ＩＸ線に沿った矢視断面図である。 図４中のＸ－Ｘ線に沿った矢視断面図である。 参考技術における超音波センサに備えられる圧電素子の製造方法を説明するための断面図である。 参考技術における超音波センサに備えられる圧電素子を、圧着工程において圧着する際の様子を示す断面図である。 実施の形態１における超音波センサに備えられる圧電素子を示す断面図である。 実施の形態１における超音波センサに備えられる圧電素子のうち、浮き電極７１，７３，７５，７７が形成された層における断面構成を示す図である。 実施の形態１における超音波センサに備えられる圧電素子のうち、浮き電極７２，７４，７６が形成された層における断面構成を示す図である。 実施の形態２における超音波センサに備えられる圧電素子を示す断面図である。 実施の形態２における超音波センサに備えられる圧電素子のうち、電極２０の中間部２３が形成された層における断面構成を示す図である。 実施の形態２における超音波センサに備えられる圧電素子のうち、浮き電極７２，７６が形成された層における断面構成を示す図である。 実施の形態２における超音波センサに備えられる圧電素子のうち、浮き電極７４が形成された層における断面構成を示す図である。 実施の形態３における超音波センサに備えられる圧電素子を示す断面図である。 実施の形態３における超音波センサに備えられる圧電素子のうち、電極２０の中間部２３が形成された層における断面構成を示す図である。 実施の形態３における超音波センサに備えられる圧電素子のうち、浮き電極７６が形成された層における断面構成を示す図である。 実施の形態３における超音波センサに備えられる圧電素子のうち、浮き電極７４が形成された層における断面構成を示す図である。 実施の形態３における超音波センサに備えられる圧電素子のうち、浮き電極７２が形成された層における断面構成を示す図である。 参考技術（比較例）および実施の形態１～３に関して行った実験例を説明するための図である。 実施の形態４における超音波センサに備えられる圧電素子を示す断面図である。 実施の形態５における超音波センサに備えられる圧電素子を示す断面図である。 実施の形態６における超音波センサに備えられる圧電素子を示す断面図である。 実施の形態７における超音波センサに備えられる圧電素子を示す断面図である。 実施の形態８における超音波センサに備えられる圧電素子を示す断面図である。

　［参考技術］
　本発明に基づく実施の形態について説明する前に、以下、図１～図１０を参照しながら参考技術における超音波センサ１００についてまず説明する。参考技術の説明において、同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

　図１は、参考技術における超音波センサ１００を備えたセンサ装置１の機能ブロックを示す図である。センサ装置１は、超音波センサ１００、マイコン１０１、メモリ１０２、検出回路１０３、信号生成回路１０４、電源１０５、および受信アンプ１０６を備える。超音波センサ１００は、圧電素子５０を備え、この圧電素子５０は電極１０，２０，３０からなる３端子構造を有している。

　マイコン１０１は、メモリ１０２に格納されているデータを読み出し、制御信号を信号生成回路１０４に出力する。信号生成回路１０４は、制御信号に基づいて直流電圧から交流電圧を生成する。交流電圧は、超音波センサ１００に供給され、超音波センサ１００から気中などに向けて超音波が送信（送波）される。超音波センサ１００が物標からの反射波を受信した際、超音波センサ１００にて発生した受波信号は電圧値として受信アンプ１０６に送られ、検出回路１０３を通してマイコン１０１に入力される。マイコン１０１により、物標の有無や移動に関する情報を把握することが可能となる。

　（超音波センサ１００）
　図２は、参考技術における超音波センサ１００を示す断面図である。超音波センサ１００は、圧電素子５０、ケース６０、吸音材６３、接着剤６４、接合剤６５、シリコーン６６，６７、およびＦＰＣ８０（Flexible　Printed　Circuits）を備える。ケース６０は、有底筒状の形状を有する。ケース６０は、たとえば、高い弾性を有し且つ軽量なアルミニウムからなる。ケース６０は、このようなアルミニウムをたとえば鍛造または切削加工をすることによって作製される。

　ケース６０は、円盤状の底部６２と、底部６２の周縁に沿って設けられた円筒状の筒状部６１とを含む。底部６２は、内面６２Ｓおよび外面６２Ｔを有する。圧電素子５０は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。圧電素子５０は、底部６２の内面６２Ｓ上に配置され、接着剤６４を用いて内面６２Ｓに接合される。接着剤６４は、たとえばエポキシ系接着剤である。超音波センサ１００が駆動している際には、圧電素子５０は、底部６２とともにベンディング振動する。

　圧電素子５０は、図示しない３つの電極（図１における電極１０～３０に相当する部位。詳細は後述する）を有している。図３に示すように、ＦＰＣ８０の先端部８０ＴはＴ字形状を有する。ＦＰＣ８０は、接合剤６５を介してこれらの電極に電気的に接合される。接合剤６５としては、たとえば金属が添加された樹脂材料が用いられる。ＦＰＣ８０のうちの圧電素子５０に接合された部分とは反対側の部分は、ケース６０の外に取り出され、信号生成回路１０４（図１）および受信アンプ１０６（図１）などに電気的に接続されている。

　（圧電素子５０）
　図３は、圧電素子５０およびＦＰＣ８０を示す平面図である。図４は、圧電素子５０（ＦＰＣ８０を取り外した状態）を示す平面図である。図５は、圧電素子５０を示す斜視図である。図６は、圧電素子５０およびその内部構造を示す斜視図である。図７は、圧電素子５０に備えられる電極１０，２０，３０を示す斜視図である。図８は、図４中のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。図９は、図４中のＩＸ－ＩＸ線に沿った矢視断面図である。図１０は、図４中のＸ－Ｘ線に沿った矢視断面図である。

　図３～図１０においては、説明上の便宜のため矢印Ｘ，Ｙ，Ｚを示している。矢印Ｘ，Ｙ，Ｚは、互いに直交する関係を有する。以下、圧電素子５０の各構成について矢印Ｘ，Ｙ，Ｚを参照しつつ説明する場合があるが、各構成の配置関係（直交および平行に関する特徴）は、必ずしも矢印Ｘ，Ｙ，Ｚに示す配置関係に限定されるものではない。これらについては、後述する図１１～図２４および図２６～図２９においても同様である。

　図３～図１０に示すように、圧電素子５０は、圧電体層４０（図３～図６，図８～図１９）、電極１０（図７）、電極２０（図７）および電極３０（図７）を含む。圧電体層４０の外形形状は略直方体であり（図５，図６参照）、圧電体層４０は、上面４１、側面４２～４５、および下面４６を有している。

　上面４１は、圧電体層４０のうちの矢印Ｚ方向の側に位置する表面であり、下面４６は、圧電体層４０のうちの矢印Ｚ方向とは反対方向の側に位置する表面である。側面４２，４４は、圧電体層４０のうちの矢印Ｘ方向に対して直交する表面であり、互いに対向する位置関係を有している。側面４３，４５は、圧電体層４０のうちの矢印Ｙ方向に対して直交する表面であり、互いに対向する位置関係を有している。

　（電極１０（受信用電極））
　電極１０は、円盤部１１および延出部１２を含む（図７参照）。電極１０は、「受信用電極」として機能する。延出部１２は、円盤部１１の外縁から外方に向かって延出する形状を有する。延出部１２は、円盤部１１が位置している側から圧電体層４０の側面４２が位置している側に向かって延びるように配置される。図３に示すように、ＦＰＣ８０に設けられた配線パターン８１と電極１０の延出部１２との間の部分（接続箇所１０Ｃ）において、電極１０とＦＰＣ８０（配線パターン８１）とは電気的に接続される（図４，図５も参照）。

　（電極２０（送信用電極））
　電極２０は、側壁部２１、上面部２２、および中間部２３，２４を含む（図７参照）。電極２０は、「送信用電極」として機能する。側壁部２１は、圧電体層４０の側面４２（図５）に対向し、側面４２に接する。上面部２２は、側壁部２１の矢印Ｚ方向の側の端部に連設され、圧電体層４０の上面４１上に配置される。中間部２３，２４は、電極２０のうちの圧電体層４０の内部に配置される部位であり、圧電素子５０が完成した状態ではこれらは視認されない（図５参照）。中間部２３と中間部２４との間には、電極３０の中間部３３が配置される（図８～図１０等参照）。

　中間部２３，２４の内側には、くり抜き部２３Ｈ，２４Ｈ（図７）と、切り欠き部２３Ｔ，２４Ｔとがそれぞれ設けられる。図７および図９に示すように、中間部２３，２４の矢印Ｘとは反対方向における端部は、側壁部２１に接続している。一方で、中間部２３，２４の矢印Ｘ方向における端部は、後述する電極３０の側壁部３１に接続しておらず、側壁部３１から離れている。図３に示すように、ＦＰＣ８０に設けられた配線パターン８２と電極２０の上面部２２との間の部分（接続箇所２０Ｃ）において、電極２０とＦＰＣ８０（配線パターン８２）とは電気的に接続される（図４，図５も参照）。

　（電極３０（共通電極））
　電極３０は、側壁部３１、上面部３２、中間部３３および下面部３４を含む（図７参照）。電極３０は、「共通電極」として機能する。側壁部３１は、圧電体層４０の側面４４（図５）に対向し、側面４４に接する。下面部３４は、圧電体層４０の下面４６に対向し、下面４６に接する。上面部３２は、側壁部３１の矢印Ｚ方向の側の端部に連設され、圧電体層４０の上面４１上に配置される。中間部３３は、電極３０のうちの圧電体層４０の内部に配置される部位であり、圧電素子５０が完成した状態では中間部３３は視認されない（図５参照）。

　上面部３２および中間部３３の内側には、くり抜き部３２Ｈ，３３Ｈ（図７）がそれぞれ設けられる。くり抜き部３２Ｈの内側に、電極１０の円盤部１１が配置される（図５参照）。上面部３２および中間部３３の内側には、切り欠き部３２Ｔ，３３Ｔもそれぞれ設けられる。切り欠き部３２Ｔの内側に、電極１０の延出部１２が配置される（図５参照）。上面部３２のうちの矢印Ｙとは反対方向における部分には、後退部３２Ｆが設けられる。後退部３２Ｆは、電極２０の上面部２２の配置を許容するための部位である。

　図７および図９に示すように、上面部３２、中間部３３および下面部３４の矢印Ｘ方向における端部は、側壁部３１に接続している。一方で、上面部３２、中間部３３および下面部３４の矢印Ｘとは反対方向における端部は、電極２０の側壁部２１に接続しておらず、側壁部２１から離れている。図３に示すように、ＦＰＣ８０に設けられた配線パターン８３と電極３０の上面部３２との間の部分（接続箇所３０Ｃ）において、電極３０とＦＰＣ８０（配線パターン８３）とは電気的に接続される（図４，図５も参照）。

　（送信用領域および受信用領域）
　図８～図１０を参照して、圧電体層４０の内部には、送信用領域４０Ｎおよび受信用領域４０Ｍが形成される。送信用領域４０Ｎは、第１単位圧電体層Ｎ１～Ｎ４からなる４層構造を有している。第１単位圧電体層Ｎ１～Ｎ４は、ケース６０の底部６２から遠ざかる方向に積層され、電極２０および電極３０によって電気的に並列接続される。図８～図１０中の白色矢印は、各圧電体層の分極方向を示している。一方で、受信用領域４０Ｍは、第２単位圧電体層Ｍ１の１層構造を有している。

　電極３０の下面部３４は、送信用領域４０Ｎおよび受信用領域４０Ｍの双方に及んで広がる形状を有している。電極２０の上面部２２は、第１単位圧電体層Ｎ１～Ｎ４を含む送信用領域４０Ｎを間に挟んで電極３０の下面部３４に対向している。電極１０の円盤部１１は、第２単位圧電体層Ｍ１を含む受信用領域４０Ｍを間に挟んで電極３０の下面部３４に対向している。

　すなわち、圧電体層４０のうち、電極２０の上面部２２と電極３０の下面部３４との間に位置する領域、電極２０の中間部２３と電極３０の上面部３２との間に位置する領域、および電極２０の中間部２３と電極３０の下面部３４との間に位置する領域が、送信用領域４０Ｎとして機能する。一方で、圧電体層４０のうち、電極１０の円盤部１１と電極３０の下面部３４との間に位置する領域が受信用領域４０Ｍとして機能する。図８および図１０に示すように、送信用領域４０Ｎと受信用領域４０Ｍとは、ケース６０の底部６２の内面６２Ｓの表面方向（Ｘ－Ｙ面方向）において互いに隣り合う位置に形成されている。具体的には、圧電体層４０の中心部に受信用領域４０Ｍが設けられており、受信用領域４０Ｍを囲むように、受信用領域４０Ｍよりも径方向の外側である周辺部に、送信用領域４０Ｎが設けられている。

　図１１を参照して、圧電素子５０を作製する際には、下型９１および上型９２の間に、樹脂シート９３，９４を配置する。樹脂シート９３，９４の間に、短冊形状を有する薄肉の圧電セラミックよりなる４層の圧電体層（セラミックシート）を配置する。送信用領域４０Ｎを構成する第１単位圧電体層Ｎ１～Ｎ４の部分については、４層の圧電体層の間に、電極２０の中間部２３、電極３０の中間部３３、および電極２０の中間部２４を介在させてこれらを積層する。受信用領域４０Ｍを構成する第２単位圧電体層Ｍ１の部分については、４層の圧電体層の間に、電極を介在させないでこれらを積層する。圧電素子５０は、これらを上下から圧着する圧着工程、脱脂工程、および焼成工程を経ることにより作製される。

　図１２は、圧着工程において圧電素子５０を圧着する際の様子を示す断面図である。焼成前の圧電体層は、やわらかく、可撓性を有する。４層の圧電体層が加圧されている際、電極２０（中間部２３）、電極３０（中間部３３）および電極２０（中間部２４）の付近においては、これらの内部電極の厚みの分だけ、圧電体層が他の部分よりも大きな荷重で加圧される。焼成前の圧電体層は、やわらかいために、内部電極が存在していない方に向かって（矢印ＡＲに示す方向に）押し出されるようにして移動する。その結果、受信用領域４０Ｍ（図８参照）を構成する部分およびその付近に、褶曲が発生することがある。褶曲によって圧電体層４０に凹み９５（図１２）が形成された場合、圧電素子５０とケース６０とが適切に接合されにくくなり、接着不良や、感度の低下を招いてしまうことがあり得る。

　［実施の形態］
　本発明に基づいた実施の形態および実施例について、以下、図面を参照しながら説明する。個数および量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数および量などに限定されない。同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。なお、以下の実施の形態の説明においては、実施の形態と上述の参考技術との相違点について主として説明し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

　［実施の形態１］
　図１３は、実施の形態１における圧電素子５０Ａを示す断面図である。図１３は、上述の参考技術における図８に対応している。図１４は、圧電素子５０Ａのうち、浮き電極７１が形成された層（高さ位置）における断面構成を示す図である。この断面図は、圧電素子５０Ａの浮き電極７３，７５，７７が形成された層（高さ位置）における断面構成と同一に描かれる。したがって、図１４の中ではこれらを１つの図としてまとめて記載している。

　図１５は、圧電素子５０Ａのうち、浮き電極７２が形成された層（高さ位置）における断面構成を示す図である。この断面図は、圧電素子５０Ａの浮き電極７４，７６が形成された層（高さ位置）における断面構成と同一に描かれる。したがって、図１５の中ではこれら１つの図としてまとめて記載している。図１３は、図１４および図１５中のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線の位置における断面図に相当している。

　本実施例における圧電素子５０Ａは、上述の参考技術における圧電素子５０と同様にして、ケース６０（図２参照）に組み込まれる。具体的には、本実施の形態における超音波センサは、底部６２を有するケース６０（図２）と、底部６２の内面６２Ｓに接合され、底部６２とともにベンディング振動する圧電素子５０Ａとを備える。

　（圧電素子５０Ａ）
　図１３～図１５に示すように、圧電素子５０Ａは、圧電体層４０、電極１０～３０、および浮き電極７０（浮き電極７１～７７）を有している。圧電体層４０は、上述の参考技術の場合と同様に、直方体状の形状を有する。図１３においては、上面４１、側面４３，４５および下面４６が描かれている。

　電極１０（受信用電極）は、圧電体層４０の上面４１上に形成される。電極２０（送信用電極）は、側壁部２１、上面部２２および複数の中間部２３を含む。側壁部２１は、圧電体層４０の側面４３に対向し、側面４３に接している。上面部２２は、側壁部２１の矢印Ｚ方向の側の端部に連設され、圧電体層４０の上面４１上に配置される。複数の中間部２３は、電極２０のうちの圧電体層４０の内部に配置される部位（内部電極）であり、圧電素子５０Ａが完成した状態ではこれらは視認されない。複数の中間部２３の間には、電極３０の中間部３３が配置される。

　電極３０（共通電極）は、側壁部３１、上面部３２および複数の中間部３３を含む。側壁部３１は、圧電体層４０の側面４５に対向し、側面４５に接している。上面部３２は、側壁部３１の矢印Ｚ方向の側の端部に連設され、圧電体層４０の上面４１上に配置される。複数の中間部３３は、電極３０のうちの圧電体層４０の内部に配置される部位（内部電極）であり、圧電素子５０Ａが完成した状態ではこれらは視認されない。複数の中間部３３の間には、電極２０の中間部２３が配置される。

　（送信用領域および受信用領域）
　圧電体層４０の内部には、送信用領域４０Ｎ、受信用領域４０Ｍ、および分離領域４０Ｖが形成される。送信用領域４０Ｎを構成する１または複数の単位圧電体層と、受信用領域４０Ｍを構成する１または複数の単位圧電体層とは、層数が互いに異なるように構成される。本実施の形態では、送信用領域４０Ｎは、第１単位圧電体層Ｎ１～Ｎ８からなる８層構造を有している。一方で、受信用領域４０Ｍは、第２単位圧電体層Ｍ１の１層構造を有している。

　第１単位圧電体層Ｎ１～Ｎ８は、ケース６０（図２）の底部６２から遠ざかる方向に積層される。第１単位圧電体層Ｎ１～Ｎ８は、電極２０（送信用電極）の上面部２２および中間部２３、ならびに、電極３０（共通電極）の上面部３２および中間部３３によって、電気的に並列接続される。

　電極３０の下面部３４は、分離領域４０Ｖを隔てて隣り合う送信用領域４０Ｎおよび受信用領域４０Ｍの双方に及んで広がる形状を有している。電極２０の上面部２２は、第１単位圧電体層Ｎ１～Ｎ８を含む送信用領域４０Ｎを間に挟んで、電極３０の下面部３４に対向している。電極１０は、第２単位圧電体層Ｍ１を含む受信用領域４０Ｍを間に挟んで、電極３０の下面部３４に対向している。

　圧電体層４０のうち、電極２０の上面部２２と電極３０の下面部３４との間に位置する領域、電極２０の中間部２３と電極３０の上面部３２との間に位置する領域、および電極２０の中間部２３と電極３０の下面部３４との間に位置する領域が、送信用領域４０Ｎとして機能し、電極１０と電極３０の下面部３４との間に位置する領域が受信用領域４０Ｍとして機能する。送信用領域４０Ｎと受信用領域４０Ｍとは、ケース６０の底部６２の内面６２Ｓの表面方向（Ｘ－Ｙ面方向）において、分離領域４０Ｖ（絶縁領域）を介して互いに隣り合う位置に形成されている。具体的には、圧電体層４０の中心部に受信用領域４０Ｍが設けられている。図１３では、送信用領域４０Ｎが複数図示されているが、これらは連なっており、受信用領域４０Ｍを囲むように、受信用領域４０Ｍよりも径方向の外側である周辺部に、送信用領域４０Ｎが設けられている。

　（浮き電極７０）
　浮き電極７０は、送信用領域４０Ｎおよび受信用領域４０Ｍのうち、これらを構成する単位圧電体層の層数が少ない方の中に設けられる。本実施の形態においては、送信用領域４０Ｎを構成する第１単位圧電体層の層数は８つであり、受信用領域４０Ｍを構成する第２単位圧電体層の層数は１つであるため、第２単位圧電体層Ｍ１の中に、圧電素子５０の積層方向に間隔を空けて並ぶ複数の浮き電極７０（浮き電極７１～７７）が設けられる。

　浮き電極７０（ダミー電極ともいう）は、電極１０～３０のいずれにも電気接続されておらず、周囲はすべて圧電体層４０で囲まれている。複数の浮き電極７０は、電極２０の中間部２３や、電極３０の中間部３３とともに、マスキング処理などを利用してこれらと同一の工程で印刷法などによって形成されることができる。図１４に示すように、浮き電極７１，７３，７５，７７は、４つの部位に分かれており、これらのうちの３つの断面形状が図１３の中に現れている。図１５に示すように、浮き電極７２，７４，７６も、４つの部位に分かれており、これらの４つの断面形状が図１３内に現れている。

　本実施の形態では、電極２０の上面部２２と電極３０の下面部３４との間に、換言すると電極３０の上面部３２と電極３０の下面部３４との間に、計７層の内部電極（電極２０の中間部２３および電極３０の中間部３３）が設けられている。これに対して、第２単位圧電体層Ｍ１の中に、内部電極の層数と同じ数である計７層の浮き電極７１～７７が設けられている。各内部電極（電極２０の中間部２３および電極３０の中間部３３）と、各浮き電極７１～７７とは、同一高さに設けられている。

　電極１０（受信電極）、電極２０の上面部２２、電極３０の上面部３２、および電極３０の下面部３４は、マスクを用いたスパッタや蒸着によって、内部電極（電極２０の中間部２３および電極３０の中間部２３）とは別の工程で形成される。

　（作用および効果）
　冒頭で述べたとおり、従来の超音波センサにおいては、圧電素子の積層数が多ければ多いほど、送波の際の音圧が上がるが、受波の際の感度が下がるという特性が示される。これは、従来の積層型の圧電素子においては、圧電素子の送波に供される部分と受波に供される部分とが同一の部材でもって形成されているからである。

　本実施の形態においては、圧電素子５０Ａの送波に供される部分（送信用領域４０Ｎ）と受波に供される部分（受信用領域４０Ｍ）とが、分離して形成されている。送波の際の音圧を上げるために圧電素子５０Ａの送波に供される部分（送信用領域４０Ｎ）の積層数を８層構造としているが、受波に供される部分（受信用領域４０Ｍ）は１層構造のままである。本実施の形態の超音波センサにおいては、受波の際の感度が低下することが、従来の構成に比べて抑制されている。したがって、本実施の形態の超音波センサは、送信時における音圧および受信時における感度の双方をそれぞれ独立して調整することが可能な構造を備えていると言える。

　図１２を参照して上述したとおり、複数の焼成前の圧電体層（セラミックシート）は、やわらかく、可撓性を有する。仮に浮き電極７１～７７が存在していないとすると、８層の圧電体層が加圧されている際、電極２０（中間部２３）、電極３０（中間部３３）および電極２０（中間部２４）の付近は、これらの内部電極の厚みの分だけ、圧電体層が他の部分よりも大きな荷重で加圧されることになる。

　これに対して本実施の形態では、浮き電極７１～７７が、内部電極の存在に起因した厚みの差（荷重の差）を減らすように作用する。圧電体層のうちの内部電極が設けられている部分に作用する荷重と、圧電体層のうちの浮き電極７１～７７が設けられている部分に作用する荷重との差は、上述の参考技術の場合に比べて小さくなる。したがって、やわらかい圧電体層は、面内方向に広がろうと移動するが、その移動量は上述の参考技術の場合に比べて小さくなる。その結果、受信用領域４０Ｍ（図８参照）を構成する部分およびその付近に、褶曲が発生することは抑制される。圧電素子５０Ａは、ケース６０（図２）の底部６２の内面６２Ｓと適切に接合されることができ、接着性や感度の向上を期待することが可能となる。

　本実施の形態では、浮き電極７０は、送信用領域４０Ｎの中には設けられていない。換言すると、浮き電極７１～７７は、電極２０の上面部２２および中間部２３には対向しておらず、電極３０の上面部２２および中間部３３にも対向していない。浮き電極７１～７７を設けたことによる寄生容量の増加は抑制されており、感度低下につながることもほとんどない。

　本実施の形態では、浮き電極７０の一部が、分離領域４０Ｖの中にも及ぶように設けられている。浮き電極７０は、第２単位圧電体層Ｍ１の中にのみ設けられていてもよいが、分離領域４０Ｖの中にも設けられていた方が、褶曲抑制の観点からは望ましいと言える。一方で、浮き電極７０の存在は、圧電素子５０Ａの剛性を上げることや、焼成後の圧電体層４０の残留応力の増加にも繋がる。

　浮き電極７０を必要以上に設けた場合には、上記のような寄生容量の増加を招いたり、圧電素子５０Ａがベンディング振動しにくくなったり、圧電定数が低下したりすることもある。したがって、褶曲の抑制、寄生容量の増加、圧電素子５０Ａの剛性の増加、圧電素子５０Ａの圧電定数の増加などに鑑みて、適切な箇所および量の浮き電極７０を圧電体層４０の内部に設けることが好ましい。本実施の形態のように、浮き電極７１～７７を同一面内で複数個所に分割して設けることも、剛性の増加（振動の拘束）や圧電定数の低下を抑制するという観点から、好適に実施し得るものである。

　本実施の形態では、複数の浮き電極７１～７７が、圧電素子５０Ａの積層方向における中心を通る面ＣＳに対して、面対称となる位置に設けられている。当該構成によれば、焼成が完了した際に、面ＣＳを中心として面対象となる収縮力（熱収縮に起因して発生する収縮力）が圧電体層４０に発生することとなるため、焼成後の圧電素子５０Ａに反りが発生することを抑制できる。

　［実施の形態２］
　図１６は、実施の形態２における圧電素子５０Ｂを示す断面図である。図１６は、上述の参考技術における図８に対応している。図１７は、圧電素子５０Ｂのうち、電極２０の中間部２３が形成された層（高さ位置）における断面構成を示す図である。電極２０の中間部２３が形成された層は、いずれも同一に描かれる。したがって、図１７の中ではこれらを１つの図としてまとめて記載している。

　図１８は、圧電素子５０Ｂのうち、浮き電極７２が形成された層（高さ位置）における断面構成を示す図である。この断面図は、圧電素子５０Ｂの浮き電極７６が形成された層（高さ位置）における断面構成と同一に描かれる。したがって、図１８の中ではこれら１つの図としてまとめて記載している。図１９は、圧電素子５０Ｂのうち、浮き電極７４が形成された層（高さ位置）における断面構成を示す図である。図１６は、図１７～図１９中のＸＶＩ－ＸＶＩ線の位置における断面図に相当している。

　上述のとおり、浮き電極７０を必要以上に設けた場合には、寄生容量の増加を招いたり、圧電素子５０Ｂがベンディング振動しにくくなったり、圧電定数が低下したりすることもある。本実施の形態では、浮き電極７０の数を実施の形態１の場合に比べて少なくしている。褶曲の抑制という観点では実施の形態１に比べて不利であるが、寄生容量の増加、圧電素子５０Ｂのベンディング振動のしやすさ、圧電定数の低下という観点では有利である。複数の浮き電極７２，７４，７６が、圧電素子５０Ｂの積層方向における中心を通る面ＣＳに対して面対称となる位置に設けられていることによって、焼成後の圧電素子５０Ｂに反りが発生することも抑制できる。

　［実施の形態３］
　図２０は、実施の形態３における圧電素子５０Ｃを示す断面図である。図２０は、上述の参考技術における図８に対応している。図２１は、圧電素子５０Ｃのうち、電極２０の中間部２３が形成された層（高さ位置）における断面構成を示す図である。電極２０の中間部２３が形成された層は、いずれも同一に描かれる。したがって、図２１の中ではこれらを１つの図としてまとめて記載している。

　図２２は、圧電素子５０Ｃのうち、浮き電極７６が形成された層（高さ位置）における断面構成を示す図である。図２３は、圧電素子５０Ｃのうち、浮き電極７４が形成された層（高さ位置）における断面構成を示す図である。図２４は、圧電素子５０Ｃのうち、浮き電極７２が形成された層（高さ位置）における断面構成を示す図である。図２０は、図２１～図２４中のＸＸ－ＸＸ線の位置における断面図に相当している。

　本実施の形態においては、圧電素子５０Ｃの積層方向においてケース６０（図２）の底部６２から最も遠くに位置する浮き電極７６の両端部Ｐ１は、他の浮き電極７２，７４の両端部Ｐ２，Ｐ３の位置よりも内側に位置している。当該構成によれば、浮き電極７６の両端部Ｐ１と、電極２０の上面部２２との間の距離ＤＲ１を、上述の実施の形態２の場合に比べて長くすることができる。浮き電極７６の両端部Ｐ１と、電極３０の上面部３２との間の距離についても同様である。

　上述のとおり、電極１０（受信電極）、電極２０の上面部２２、電極３０の上面部３２、および電極３０の下面部３４は、マスクを用いたスパッタや蒸着によって、内部電極（電極２０の中間部２３および電極３０の中間部２３）とは別の工程で形成される。浮き電極７６の両端部Ｐ１と、電極２０の上面部２２との相対位置は、ずれる場合がある。仮に位置ずれが発生したとしても、距離ＤＲ１が長く確保されていることによって、電極２０の上面部２２と浮き電極７６とが対向することはほとんどないため、寄生容量の増加（感度の低下）を抑制できる。これは、浮き電極７６の両端部Ｐ１と、電極３０の上面部３２との相対位置についても同様である。

　また、本実施の形態では、浮き電極７２の一部が「対向部」として機能している。浮き電極７２は、圧電素子５０Ｃの中心（面ＣＳの位置）とケース６０（図２）の底部６２との間に位置しており、浮き電極７２の一部は、圧電素子５０Ｃの積層方向において、電極３０の中間部３３に対向している（矢印ＤＲ２に示す箇所を参照）。浮き電極７２と電極３０の中間部３３とが対向している場合、これらの間に寄生容量が発生するが、圧電素子５０Ｃの中心（面ＣＳの位置）よりも底部側（電極３０の下面部３４の側）であれば、大きな問題となることはほとんどない。

　実施の形態１，２の場合には、層間に電極が全く存在していない領域が存在している。一方で、本実施の形態の構成によれば、層間に少なくとも１層の電極が存在している。換言すると、浮き電極７２，７４，７６および電極３０の中間部３３を圧電素子５０Ｃの積層方向に投影した場合に、その投影像には電極が形成されていない部分がなくなる（投影像同士が重なることで、電極が形成されていない部分がなくなる）。この構成は、内部電極の存在に起因した厚みの差（荷重の差）を減らすように作用するため、褶曲の発生を抑制できることになる。なおこの構成は、上述の実施の形態１，２と組み合わせて実施することも可能である。浮き電極７２，７４が電極２０の中間部２３に対向するように形成される場合にも、同様の効果が得られる。

　［実験例］
　図２５を参照して、上述の参考技術（比較例）および実施の形態１～３に関して行った実験例について説明する。図２５中の実施例１～３は、上述の実施の形態１～３にそれぞれ対応している。圧着工程でのセラミックシートの数（圧電体層の数）を増加させた場合、参考技術（比較例）の構成は、実施例１～３の構成に比べて大きな褶曲が発生することがわかる。実施例１～３については、実施例１、２、３の順に、褶曲を抑制できることがわかる。

　［実施の形態４］
　図２６は、実施の形態４における圧電素子５０Ｄを示す断面図である。圧電素子５０Ｄにおいては、圧電素子５０Ｄの積層方向においてケース６０（図２）の底部６２から最も遠くに位置する浮き電極７７の両端部は、他の浮き電極７１～７６の両端部の位置よりも内側に位置している。

　［実施の形態５］
　図２７は、実施の形態５における圧電素子５０Ｅを示す断面図である。圧電素子５０Ｅにおいては、ケース６０（図２）の底部６２の内面６２Ｓの表面方向において（図２７の紙面左右方向において）、分離領域４０Ｖを介して互いに隣り合う送信用電極（電極２０）の内部電極（中間部２３）と浮き電極７１，７３，７５，７７との間の間隔Ｌ１は、分離領域４０Ｖを介して互いに隣り合う共通電極（電極３０）の内部電極（中間部３３）と浮き電極７２，７４，７６との間の間隔Ｌ２よりも広い。

　［実施の形態６］
　図２８は、実施の形態６における圧電素子５０Ｆを示す断面図である。上述の各実施の形態では、浮き電極７０は複数の部位から構成されるが、浮き電極７０は１つの部位のみから構成されていてもよい。

　［実施の形態７］
　図２９は、実施の形態７における圧電素子５０Ｇを示す断面図である。上述の各実施の形態では、浮き電極７０は第２単位圧電体層Ｍ１の中に設けられているが、浮き電極７０は、分離領域４０Ｖの中にのみ設けられていてもよい。

　［実施の形態８］
　図３０は、実施の形態８における圧電素子５０Ｈを示す断面図である。圧電素子が複数の浮き電極を有している場合には、複数のうちの少なくとも１つの浮き電極は、送信用電極よりも厚い厚さを有していることが好ましい。本実施の形態の圧電素子５０Ｈにおいては、浮き電極７２Ｈ，７４Ｈが、電極２０（送信用電極）の中間部２３，２４よりも厚い厚さを有している。この構成によっても、圧電素子５０Ｈの送波に供される部分（送信用領域４０Ｎ）と受波に供される部分（受信用領域４０Ｍ）とが分離して形成されているため、送信時における音圧および受信時における感度の双方をそれぞれ独立して調整することが可能な構造を備えていると言える。

　さらに、浮き電極７２Ｈ，７４Ｈは、電極２０（送信用電極）の中間部２３，２４よりも厚い厚さを有している。この構成は、圧電素子の厚み方向で見た場合の内部電極（浮き電極を含む）の総和が、面内方向においてばらつくことをより一層低減するように作用するため、褶曲の発生をさらに抑制できることになる。

　［他の実施の形態］
　上述の各実施の形態においては、圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなっているが、これに限られるものではない。たとえば、圧電素子は、ニオブ酸カリウムナトリウム系やアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電セラミックスの圧電材料などからなっていてもよい。上述の各実施の形態においては、シリコーン６６，６７、は、シリコーン樹脂からなっているが、これに限るものではない。樹脂からなるものであれば、例えば、ウレタン樹脂やシリコーン発泡樹脂からなっていてもよい。

　以上、本発明に基づいた各実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　センサ装置、１０　電極（受信用電極）、１０Ｃ，２０Ｃ，３０Ｃ　接続箇所、１１　円盤部、１２　延出部、２０　電極（送信用電極）、２１，３１　側壁部、２２，３２　上面部、２３，２４，３３　中間部、３０　電極（共通電極）、３２Ｆ　後退部、３４　下面部、４０，Ｍ１，Ｎ１，Ｎ４，Ｎ８　圧電体層、４０Ｍ　受信用領域、４０Ｎ　送信用領域、４０Ｖ　分離領域、４１　上面、４２，４３，４４，４５　側面、４６　下面、５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，５０Ｅ，５０Ｆ，５０Ｇ，５０Ｈ　圧電素子、６０　ケース、６１　筒状部、６２　底部、６２Ｓ　内面、６２Ｔ　外面、６３　吸音材、６４　接着剤、６５　接合剤、６６，６７　シリコーン、７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７　浮き電極、８０Ｔ　先端部、８１，８２，８３　配線パターン、９１　下型、９２　上型、９３，９４　樹脂シート、１００　超音波センサ、１０１　マイコン、１０２　メモリ、１０３　検出回路、１０４　信号生成回路、１０５　電源、１０６　受信アンプ、ＣＳ　面、ＤＲ１　距離、Ｌ１，Ｌ２　間隔、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３　両端部。

Claims (10)

1. 　底部を有するケースと、
   　前記底部の内面に接合され、前記底部とともにベンディング振動する圧電素子とを備え、
   　前記圧電素子は、
   　送信用領域、受信用領域、および分離領域を含む圧電体層と、
   　前記送信用領域および前記受信用領域の双方に及んで広がる形状を有する共通電極と、
   　前記送信用領域を間に挟んで前記共通電極に対向する送信用電極と、
   　前記受信用領域を間に挟んで前記共通電極に対向する受信用電極と、を有し、
   　前記送信用領域および前記受信用領域は、前記底部の前記内面の表面方向において、前記分離領域を介して互いに隣り合う位置に形成されており、
   　前記送信用領域は、１つの第１単位圧電体層、または、前記底部から遠ざかる方向に積層され且つ電気的に並列接続された複数の第１単位圧電体層を含み、
   　前記受信用領域は、１つの第２単位圧電体層、または、前記底部から遠ざかる方向に積層され且つ電気的に並列接続された複数の第２単位圧電体層を含み、
   　前記送信用領域に含まれる前記第１単位圧電体層と、前記受信用領域に含まれる前記第２単位圧電体層とは、層数が異なっており、
   　前記送信用領域および前記受信用領域のうち、前記層数が少ない方の中には、１つまたは複数の浮き電極が設けられている、
   超音波センサ。
2. 　前記層数は、前記送信用領域に含まれる前記第１単位圧電体層の方が、前記受信用領域に含まれる前記第２単位圧電体層よりも多く、
   　前記浮き電極は、前記受信用領域の中に設けられている、
   請求項１に記載の超音波センサ。
3. 　前記浮き電極は、前記分離領域の中にも設けられている、
   請求項２に記載の超音波センサ。
4. 　前記浮き電極は、前記分離領域の中に及ぶように設けられている、
   請求項３に記載の超音波センサ。
5. 　複数の前記浮き電極は、前記圧電素子の積層方向における中心を通る面に対して、面対称となる位置に設けられている、
   請求項２から４のいずれかに記載の超音波センサ。
6. 　複数の前記浮き電極は、前記圧電素子の積層方向に間隔を空けて並んでおり、
   　前記圧電素子の積層方向において前記底部から最も遠くに位置する前記浮き電極の両端部は、他の前記浮き電極の両端部の位置よりも内側に位置している、
   請求項２から５のいずれかに記載の超音波センサ。
7. 　前記浮き電極は、前記圧電素子の積層方向における中心と前記底部との間に位置する対向部を含み、
   　前記対向部は、前記圧電素子の積層方向において、前記送信用電極および前記共通電極のうちの少なくとも一方に対向している、
   請求項２から６のいずれかに記載の超音波センサ。
8. 　前記底部の前記内面の表面方向において、前記分離領域を介して互いに隣り合う前記送信用電極の内部電極と前記浮き電極との間の間隔は、前記分離領域を介して互いに隣り合う前記共通電極の内部電極と前記浮き電極との間の間隔よりも広い、
   請求項２から７のいずれかに記載の超音波センサ。
9. 　底部を有するケースと、
   　前記底部の内面に接合され、前記底部とともにベンディング振動する圧電素子とを備え、
   　前記圧電素子は、
   　送信用領域、受信用領域、および分離領域を含む圧電体層と、
   　前記送信用領域および前記受信用領域の双方に及んで広がる形状を有する共通電極と、
   　前記送信用領域を間に挟んで前記共通電極に対向する送信用電極と、
   　前記受信用領域を間に挟んで前記共通電極に対向する受信用電極と、を有し、
   　前記送信用領域および前記受信用領域は、前記底部の前記内面の表面方向において、前記分離領域を介して互いに隣り合う位置に形成されており、
   　前記送信用領域は、１つの第１単位圧電体層、または、前記底部から遠ざかる方向に積層され且つ電気的に並列接続された複数の第１単位圧電体層を含み、
   　前記受信用領域は、１つの第２単位圧電体層、または、前記底部から遠ざかる方向に積層され且つ電気的に並列接続された複数の第２単位圧電体層を含み、
   　前記送信用領域に含まれる前記第１単位圧電体層と、前記受信用領域に含まれる前記第２単位圧電体層とは、層数が異なっており、
   　前記分離領域の中には、１つまたは複数の浮き電極が設けられている、
   超音波センサ。
10. 　前記圧電素子は、複数の前記浮き電極を有しており、
    　複数のうちの少なくとも１つの前記浮き電極は、前記送信用電極よりも厚い厚さを有している、
    請求項１から９のいずれかに記載の超音波センサ。

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